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模块化三端口直流变换器的能量协调控制研究

模块化三端口直流变换器的能量协调控制研究

作者：方晓东兰州交通大学

学位级别：硕士

模块化三端口直流变换器作为连接中、低压直流母线的新型多功能变压器,凭借多端口、易接入、能量流动方式灵活等优势,广泛用于直流微电网、新能源交通、大规模储能系统、舰船供电等领域,为“双碳”目标的实现提供了有效途径。模块化三... 详细信息

模块化三端口直流变换器作为连接中、低压直流母线的新型多功能变压器,凭借多端口、易接入、能量流动方式灵活等优势,广泛用于直流微电网、新能源交通、大规模储能系统、舰船供电等领域,为“双碳”目标的实现提供了有效途径。模块化三端口直流变换器由模块化多电平变换器、双有源桥变换器（Dual Active Bridge,DAB）、混合储能单元三部分构成,各部分又包含多个单元支路。各单元支路按照负载的工作状态正向或反向传输能量,反向传输时各单元相互协调控制能量的流动方向,进而对能量进行分配。能量流动模式的多样性加大了整个变换器能量协调控制的难度,且已有的模块化三端口直流变换器的能量协调控制对能量反向传输时功率分配的问题研究较少。因此,对模块化三端口直流变换器的能量协调控制策略进行研究,对于模块化三端口直流变换器实际工程应用具有及其重要的现实意义。（1）本文以模块化三端口直流变换器为研究对象,阐述了模块化三端口直流变换器的拓扑结构、各单元控制方法、能量协调控制的国内外研究现状;给出模块化三端口直流变换器的整体拓扑结构,并具体介绍三个组成单元的结构与工作原理;在此基础上,以子模块电容电压值区间为条件,分析模块化三端口直流变换器的六种能量流动模式,并将各单元控制器按等级分为三层。（2）针对模块化三端口直流变换器中DAB变换器受到外部扰动时,不能及时跟踪新的状态参考值问题。本文基于无源控制（Passivity-Based Control,PBC）建立DAB变换器的欧拉-拉格朗日（Euler-Lagrange,E-L）模型,并进行无源性分析。证明DAB变换器严格无源后,设计了DAB变换器的无源控制器以提高变换器的能量耗散速度,并确保系统的全局稳定。为弥补无源控制器设计过程中损失的快速跟踪性能,将PBC中的变压器副边输出电流转换为变换器负载输出电流,以实现变换器输出电压误差趋近于0。结合反步控制（Backstepping Control,BSC）定义Lyapunov函数V并进行求导,联立PBC的误差能量存储函数H得到Lyapunov函数的导数方程,并引入线性量k设计以移相比为目标的无源反步控制器,通过Matlab/Simulink仿真软件验证DAB变换器的无源反步控制的可行性。（3）考虑到模块化三端口直流变换器反向传输能量如何在各子单元分配的问题。以半桥子模块双闭环控制、DAB变换器无源反步控制、混合储能单元的模糊-下垂控制为基础,采用总-分的控制方式,根据变换器的正、反向传输模式对能量进行协调控制。反向传输时总控制系统依据反向传输能量的总值及子模块单元与混合储能单元的容量,按动态比例值分别分配至中压直流母线和混合储能单元,将混合储能单元中的能量进一步滤波得到超级电容与蓄电池各自承担的能量值。利用Matlab/Simulink仿真软件搭建模块化三端口直流变换器仿真模型,对正、反向能量流动的典型模式进行仿真,仿真结果显示反向传输模式下的能量可在中压直流母线与混合储能单元间进行分配与储存,传输效率为89.2%,证明了所提能量协调控制策略的有效性。

关键词：模块化三端口直流变换器 DAB变换器无源反步控制能量协调控制

一种单相–三相混合微电网结构及其能量协调控制方法

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中国电机工程学报 2016年第24期36卷 6759-6768页

作者：周小平陈燕东罗安周乐明李鸣慎陈智勇国家电能变换与控制工程技术研究中心(湖南大学) 湖南省长沙市410082

由于分布式电源(distributed generation,DG)输出功率的间歇性和负荷的多变性,在传统单相三相混合微电网孤岛运行时易出现电压波动和三相功率不平衡现象。为此,该文提出一种单相-三相混合微电网结构及其能量协调控制方法,该结构主要包... 详细信息

由于分布式电源(distributed generation,DG)输出功率的间歇性和负荷的多变性,在传统单相三相混合微电网孤岛运行时易出现电压波动和三相功率不平衡现象。为此,该文提出一种单相-三相混合微电网结构及其能量协调控制方法,该结构主要包括功率共享单元(power sharing unit,PSU)、储能单元(energy storage unit,ESU)及单、三相微电网。针对PSU提出的基于下垂控制的能量协调控制方法,在三相功率不平衡时,协调混合微电网各相进行功率交换,从而抑制三相功率不平衡;在分布式电源出力或者负荷发生突变时,可快速提供有功和无功支撑,从而抑制混合微电网的电压波动。通过ESU稳定PSU直流侧的母线电压,实现对混合微电网能量波动的缓冲。仿真与实验结果都表明了所提方法的合理性和有效性。

关键词：分布式电源双向直流变换器能量协调控制下垂控制单相-三相混合微电网

基于能量协调控制的混合储能系统容量配置方法

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电力建设 2016年第8期37卷 72-77页

作者：王宁张建成华北电力大学电力工程系河北省保定市071003

为了平滑离网光伏发电系统中源荷之间功率差的随机波动,提出了一种适用于混合储能系统中不同储能介质之间充放电功率分配的能量协调控制策略。该策略依据不同储能介质的实时荷电状态,结合最大可能充放电时间,令超级电容器优先充放电,当... 详细信息

为了平滑离网光伏发电系统中源荷之间功率差的随机波动,提出了一种适用于混合储能系统中不同储能介质之间充放电功率分配的能量协调控制策略。该策略依据不同储能介质的实时荷电状态,结合最大可能充放电时间,令超级电容器优先充放电,当达到其充放电极限时,再控制蓄电池进行充放电。在此基础上根据全寿命周期理论,考虑实时荷电状态、负荷缺电率和系统自主运行能力等约束,建立混合储能系统容量配置优化模型。利用改进粒子群算法对算例进行求解分析,并与单一蓄电池储能进行比较,验证能量协调控制策略的有效性和容量配置优化模型的正确性。

关键词：离网光伏混合储能能量协调控制容量配置

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城轨车站微电网运行控制与能量协调控制研究

城轨车站微电网运行控制与能量协调控制研究

作者：路涛涛兰州交通大学

学位级别：硕士

近年来城市轨道交通(以下简称“城轨”)的快速发展为民众出行带来了巨大便利,但由于其运量大的特点总能耗相当大。同时占城市用电负荷比重也较高,成为市内最大的单体负荷。为实现城轨节能减排的可持续发展,针对城轨车站提出一种由分布... 详细信息

近年来城市轨道交通(以下简称“城轨”)的快速发展为民众出行带来了巨大便利,但由于其运量大的特点总能耗相当大。同时占城市用电负荷比重也较高,成为市内最大的单体负荷。为实现城轨节能减排的可持续发展,针对城轨车站提出一种由分布式电源、再生制动能量回馈单元、超级电容储能单元等组成的微电网,为车站提供绿色电力。因此,本文以城轨车站微电网为研究对象,主要开展以下几方面研究,包括城轨车站微电网基本结构,运行控制方法,能量协调控制策略等。具体内容如下:(1)将再生制动能量回馈系统视为特殊的分布式电源,提出一种由分布式电源、制动能量回馈系统和储能装置等组成的车站微电网基本结构,利用微电网的自治性和自平衡特性解决制动能量的冲击性和间歇性;并根据城轨车站与地面相对位置将车站划分为高架车站和地下车站,针对高架车站和地下车站可利用新能源形式的不同,分别选择光伏发电和燃料电池作为高架和地下车站微电网的分布式电源。(2)针对城轨车站微电网运行控制,提出基于饱和PI调节器的制动能量回馈控制,根据接触网电压快速回馈制动能量;考虑到制动能量幅值高、时间短、冲击大,超级电容充放电采用自抗扰控制,大电流快速无超调充放电平抑制动能量的冲击性和间歇性;为提高光伏发电效率,避免组件失配,光伏发电采用分布式最大功率跟踪控制;考虑到燃料电池燃料可存储,为使储能退出运行时,燃料电池仍能够作为备用电源根据负荷调整出力,燃料电池采用定直流母线电压控制;由于城轨站间距短、车站密度大,为使车站微电网群之间无联络线实现功率自动分配,并网逆变器采用虚拟同步发电机控制。(3)为实现车站微电网并网逆变器虚拟同步发电机控制与前级分布式电源、再生制动能量回馈单元及储能单元间的协调配合,针对高架车站和地下车站分别设计各自的能量协调控制策略,使超级电容储能单元为逆变器虚拟同步发电机控制提供惯性和一次调频能量的同时平抑制动能量的间歇性和冲击性及光伏发电的波动性,并将其荷电状态控制在安全可控范围内,同时光伏发电输出最大功率跟踪功率,燃料电池燃料电池燃料平衡可调。(4)最后在Matlab/Simulink仿真平台搭建仿真模型对高架车站微电网和地下车站微电网运行控制和能量协调控制的有效性和可行性进行仿真验证。

关键词：车站微电网再生制动能量自抗扰控制虚拟同步发电机能量协调控制

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直流微网建模及能量协调控制仿真研究

直流微网建模及能量协调控制仿真研究

作者：朱虹中国矿业大学

学位级别：硕士

为了解决分布式发电容量和成本的限制及控制困难等问题,微电网应运而生。目前,微电网主要采用交流微电网形式,但直流微网凭借其成本低、效率高、可靠性和可控性高及供电容量大等优势得到了迅猛发展。本文对直流微网的建模、稳定性及能... 详细信息

为了解决分布式发电容量和成本的限制及控制困难等问题,微电网应运而生。目前,微电网主要采用交流微电网形式,但直流微网凭借其成本低、效率高、可靠性和可控性高及供电容量大等优势得到了迅猛发展。本文对直流微网的建模、稳定性及能量协调控制等问题进行了研究。首先,分析了直流微网的构成和各单元的工作原理及控制方式。为了最大限度地利用可再生能源,风光发电单元运行在最大功率点追踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)模式。其中,光伏发电单元采用与恒值法结合的占空比扰动观测法实现MPPT,永磁直驱风力发电单元采用最佳叶尖速比法实现MPPT。蓄电池储能系统采用两段式充电和恒压放电控制策略以维持孤岛运行时系统的功率平衡。其次,研究了并网变流器(Grid-Connected Converter,GCC)的双向运行特性,并设计和优化了双向LCL滤波器参数。本文分别设计了中点箝位式(Neutral Point Clamped,NPC)三电平整流器和逆变器电网侧的LCL滤波器参数,以得到双向NPC三电平变流器电网侧LCL滤波器参数的取值范围。为了提高GCC的双向运行性能,依据电网电流总谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD)、调节时间和稳定裕度对双向LCL滤波器参数进行了优化。然后,根据直流微网各单元接口变换器的控制方式把各单元接口变换器分为控制母线侧端口电压的变换器(Bus Voltage Controlled Converter,BVCC)和控制母线侧端口电流的变换器(Bus Current Controlled Converter,BCCC),建立了各接口变换器的小信号模型。在此基础上计算并分析了各接口变换器的阻抗特性。依据通用阻抗判据和Nyquist稳定性判据研究了不同运行状态下直流微网的稳定性,并在Matlab/Simulink仿真平台上搭建了风光互补直流微网仿真模型进行了实验验证。最后,分析了直流微网的运行特性,并进行了基于直流母线电压的能量协调控制策略研究。当直流微网并网运行时,GCC作为电压节点,控制直流母线电压和系统功率平衡;当直流微网孤岛运行时,根据直流母线电压和蓄电池荷电量(State of Charge,SOC)的变化确定直流母线电压的控制策略。

关键词：直流微网滤波器稳定性直流母线电压能量协调控制

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光储直流微电网能量协调控制关键技术研究

光储直流微电网能量协调控制关键技术研究

作者：谭文娟湖南大学

学位级别：硕士

随着全球能源枯竭与生态环境恶化问题日益凸出,开发新能源和推动分布式应用技术势在必行。光储直流微电网以其对微电源、储能以及负载良好的兼容性,成为分布式光伏发电接入未来智能配用电系统的重要途径。光储直流微电网是一个多源多负... 详细信息

随着全球能源枯竭与生态环境恶化问题日益凸出,开发新能源和推动分布式应用技术势在必行。光储直流微电网以其对微电源、储能以及负载良好的兼容性,成为分布式光伏发电接入未来智能配用电系统的重要途径。光储直流微电网是一个多源多负荷系统,其控制和运行方式较为灵活,如何协调管理与分配各单元在不同运行工况下的能量输出,使其在保证系统可靠稳定运行的前提下实现能量的最优利用,则是其亟需解决的重点和难点。鉴于此,本文开展了如下工作:(1)简要介绍了光储直流微电网结构及内部各组成模块。建立了分布式光伏单元、混合储能模块以及DC/AC并网变换器的等效模型,详细分析了各单元的工作特性与相应的控制方法,为后续混合储能功率优化分配以及直流微电网与大电网间能量协调控制的研究奠定了基础。(2)基于对混合储能拓扑结构及不同储能单元间功率分配原则的分析,提出一种混合储能系统功率自主分频控制策略。该控制方法通过在超级电容和蓄电池控制环中分别引入虚拟电容及虚拟阻抗,重塑了各变换器等效输出阻抗,使不同储能单元能够自主分频段地响应系统功率波动。该控制方法在实现混合储能能量优化分配的同时提高了系统的动态特性、延长了储能设备的使用寿命。通过仿真验证了所提方法的有效性。(3)为了实现光储直流微电网系统的稳定运行及其能量的高效利用,提出了一种以直流母线电压偏差量为判断基准的能量协调控制方法对系统能量进行分层区管理。在考虑功率变换器传输容量、储能系统荷电状态以及大电网运行工况等因素的前提下,对不同层区下系统功率的流动情况及各变换器的工作状态进行了分析,得到了各组成单元不同控制策略间的转换条件,进而实现了系统不同层区间的平滑切换,保证了发电端与用电端能量的实时平衡。通过仿真验证了所提方法的有效性。

关键词：直流微电网分布式光伏发电混合储能分频控制能量协调控制

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含分布式电源的微网群能量协调控制方法研究

科技通报 2020年第11期36卷 74-78页

作者：解云兴王艳冲李仁辉国网山东省电力公司东营供电公司山东东营257091

针对传统微网群能量协调控制方法存在优化调度性能较差的问题,提出一种含分布式电源的微网群能量协调控制方法。通过二阶估计器获取含分布式电源的微网群的具体功率差值:首先估计各微网的具体功率差值,接着估计微网群的内部功率差值以... 详细信息

针对传统微网群能量协调控制方法存在优化调度性能较差的问题,提出一种含分布式电源的微网群能量协调控制方法。通过二阶估计器获取含分布式电源的微网群的具体功率差值:首先估计各微网的具体功率差值,接着估计微网群的内部功率差值以对微网群的内部功率差值进行估计,最后收敛微网群的具体功率差值以获取微网群具体功率差值。根据获取的微网群具体功率差值构建微网群能量调度目标函数,从而构建微网群能量调度模型。通过构建模型制订微网群能量协调控制策略,包括并网运行能量协调控制策略与孤岛运行能量协调控制策略,实现含分布式电源的微网群能量协调控制。为了证明该方法的优化调度性能较强,将传统微网群能量协调控制方法与该方法进行对比实验,实验结果表明该方法的优化调度性能强于传统微网群能量协调控制方法。

关键词：分布式电源微网群能量协调控制功率差值

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基于一致性算法微电网能量协调控制的研究

电工技术 2020年第9期 13-15页

作者：贾星蓓王艳胜贺阳南华大学湖南衡阳421000 浙江科路核工程服务有限公司北京科技有限分公司北京100038 南华大学第二附属医院湖南衡阳421000

以一致性算法为基础,研究微电网能量管理经济性和稳定性的问题。为了使电的调度更加经济,分别从微电网和需求侧的角度出发,通过对孤岛微电网能量的管理,建立微电网的整体目标函数和需求侧的负荷调整函数。同时,采用一致性算法,对微电网... 详细信息

以一致性算法为基础,研究微电网能量管理经济性和稳定性的问题。为了使电的调度更加经济,分别从微电网和需求侧的角度出发,通过对孤岛微电网能量的管理,建立微电网的整体目标函数和需求侧的负荷调整函数。同时,采用一致性算法,对微电网中分布式电源和负荷的有功功率进行调整,从而满足有功功率平衡,使微电网的经济性和稳定性得到进一步发展。最后,通过算例分析验证了一致性算法可有效解决微电网能量协调控制的经济性和稳定性问题。

关键词：一致性算法信息物理系统能量协调控制

基于深度强化学习的微电网复合储能协调控制方法

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电网技术 2019年第6期43卷 1914-1921页

作者：张自东邱才明张东霞徐舒玮贺兴大数据工程技术研究中心(上海交通大学) 上海市闵行区200240 中国电力科学研究院有限公司北京市海淀区100192

在微电网中,由于负荷和电源功率波动较大、各种不确定因素复杂,通常需要增加储能系统以保证供需实时平衡、并提高可再生能源的利用率。该文构建了一个孤岛运行的包含光伏发电、储氢装置(长期储能)、蓄电池(短期储能)的复合能源系统,并... 详细信息

在微电网中,由于负荷和电源功率波动较大、各种不确定因素复杂,通常需要增加储能系统以保证供需实时平衡、并提高可再生能源的利用率。该文构建了一个孤岛运行的包含光伏发电、储氢装置(长期储能)、蓄电池(短期储能)的复合能源系统,并将复合储能系统的协调控制转化为序列决策问题,并采用深度强化学习方法加以解决。在发电量、负荷等多种因素变化的情况下,复合能量协调控制是一个复杂的优化决策问题,不同方案可能会影响系统供电稳定、利用效率和经济效益。为此该文设计了适合解决该类问题的深度强化学习框架和神经网络模型,经过足够的训练后能够实现实时在线决策控制,避免了传统算法在这方面的不足,同时,对于不同时刻、天气、季节的场景均能有效处理。结果表明了深度强化学习在复合储能协调控制问题中的可行性和有效性,具有较强的学术意义和工程价值,并可以用于处理相似的问题。

关键词：微电网深度强化学习能量协调控制光伏发电孤岛系统